摘 要

柴油机轴系作为柴油机重要的部件，在柴油机运行过程中承受着相当复杂的惯性力和燃气压力，时刻影响着柴油机的运行工况。传统的柴油机轴系动力学研究是以建立刚性体模型为基础，但是在现实工况里的柴油机轴系零件都是弹性体，运行时在载荷作用下会发生弹性形变，在不同的零件间相互影响。伴随着柴油机的发展，对柴油机轴系的研究也一直在进行，仿真技术的飞速发展为研究柴油机提供了更多的方法，有限元分析法使得模型有更多的处理方式，弥补了刚性体模型研究的精度问题。

本文的研究对象为6缸柴油机的轴系部件，将在Solidworks中建立好曲轴、连杆、活塞的模型装配成柴油机轴系模型并导入到多体动力学分析软件ADAMS中设置质量等一系列参数，再利用ADAMS自带的资源库施加各种约束、负载和驱动从而进行仿真分析，得到各个零部件的受力、速度、位移等运动特性参数。为了获得曲轴的频率和振形图，然后生成曲轴中心文件为生成刚柔混合模型做准备，将柴油机的曲轴模型导入模态分析软件ANSYS中进行计算分析。再将生成的中性文件导入到ADAMS建立好的刚性体模型中，对曲轴进行柔化处理并进行仿真分析，分析总结出动力学性能在两种不同模型中不同表现形式的原因。

关键词：柴油机轴系；多体动力学；模态仿真分析

Abstract

As an important component of the diesel engine, the diesel engine shaft system is subjected to quite complex inertial forces and gas pressure during the operation of the diesel engine, which affects the operating conditions of the diesel engine at all times. The traditional diesel engine shafting dynamics research is based on the establishment of a rigid body model. However, in real working conditions, the diesel engine shafting components are all elastic bodies. During operation, elastic deformation will occur under load, and different parts will interact with each other. influences. With the development of diesel engines, the research on diesel engine shafting has also been carried out. The rapid development of simulation technology provides more methods for the research of diesel engines. The finite element analysis method makes the model have more processing methods and makes up for the rigid body model. Study accuracy issues.

The research object of this paper is the shafting components of 6-cylinder diesel engine. The crankshaft, connecting rod and piston models established in Solidworks are assembled into the diesel engine shafting model and imported into the multi-body dynamics analysis software ADAMS to set a series of parameters such as mass Then, use the resource library that comes with ADAMS to apply various constraints, loads and drives for simulation analysis, and obtain the motion characteristics parameters such as force, speed and displacement of each component. In order to obtain the crankshaft frequency and vibration shape diagram, and then generate the crankshaft center file for the preparation of the rigid-flexible hybrid model, the diesel engine crankshaft model is imported into the modal analysis software ANSYS for calculation and analysis. Then, the generated neutral file is imported into the rigid body model established by ADAMS, and the crankshaft is softened and simulated, and the reasons for the different forms of dynamic performance in the two different models are analyzed and summarized.

Key words：the diesel engine crankshafts;Multi-body dynamics;Rigid-flexible hybrid Mode

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的与意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 研究技术方案 3

1.5 本章小结 3

第2章 柴油机曲轴轴系动力学理论基础 4

2.1 柴油机轴系运动学分析 5

2.1.1 活塞位移分析 5

2.1.2 活塞速度分析 5

2.1.3 活塞加速度分析 5

2.2 柴油机轴系受力分析 6

2.2.1 气缸内燃气压力 6

2.2.2 曲柄机构惯性力 6

2.2.3 活塞销受力 7

2.3 柴油机曲轴轴系动力学性能分析 7

2.4. 本章小结 7

第3章 曲轴轴系刚性体性能分析 8

3.1 建立三维轴系模型 8

3.2 建立轴系刚性体模型 9

3.2.1 设定轴系零件属性 10

3.2.2 添加构件间运动约束 10

3.2.3 设置系统驱动与载荷 11

3.3 刚性体系统动力学仿真分析 11

3.3.1 活塞运动特性曲线 12

3.3.2 曲轴质心位移曲线 13

3.3.3 活塞销受力曲线 14

3.3.4 曲柄销受力曲线 15

3.3.5 轴承受力曲线 17

3.3.6 活塞侧推力曲线 19

3.4 本章小结 21

第4章 曲轴模态计算分析 22

4.1 曲轴有限元模型 22

4.1.1 设置单元 22

4.1.2 设置材料属性 22

4.1.3 划分网格 23

4.2 曲轴模态分析结果 23

4.3 本章小结 26

第5章 柴油机轴系刚柔混合体仿真分析 27

5.1 建立有限元模型 27

5.2 建立刚柔混合模型 28

5.3 刚柔混合模型仿真结果分析对比 29

5.3.1 曲轴质心位移对比 29

5.3.2 轴承受力对比 29

5.3.3 活塞侧推力对比 31

5.3.4 曲轴变形与应力分析 33

5.4 本章小结 37

第6章 总结及展望 38

6.1 总结 38

6.2 展望 39

参考文献 40

致 谢 42

第1章 绪论

1.1研究背景

柴油机自发明以来，发展了百年，因其稳定性好、功率可变范围广、热效率较高等一系列有点而被各个领域广泛运用。特别是在民用船舶方面，大吨位的船舶中，大部分船舶都是使用柴油机来提供主要动力，这种发展趋势将会延续和发展下去^[1]。但同时随着柴油机的广泛运用，各种化工污染在全球蔓延，环境保护问题越来越严重，加上其它动力机械的发展，柴油机的地位面临着越来也多的竞争，其设计也从原来单纯优化性能向着高性能、低功耗的方向发展。伴随着计算机技术的日益成熟，柴油机的开发和设计也在其帮助下飞速发展。经历半个多世纪的研究，柴油机的设计和生产越来越满足当今社会的使用需求。

在柴油机运行过程中，其轴系部件将燃气产生的压力变成能量对外输出，所以曲轴的质量和性能直接关系到柴油机的使用情况。随着人们对柴油机的设计和制作越来越成熟，所生产的柴油机质量越来越高，曲轴作为关键部件，其动力学和运动学特性在各种交载荷的作用下是否能顺利完成预定工作十分重要。作为柴油机核心运动部件之一的曲轴，其制造和加工工艺十分复杂、生产周期较长，结构参数在很大程度上影响着从柴油机的整体尺寸和使用寿命^[2]。Fonte等人在研究后提出，在无法保持此力学特性的情况下，就会使柴油机的运行受到影响，对柴油机本身的结构也存在着一定的危害性^[3、4、5]。但是该分析并没有详细的进行动力学研究，所以需要对此进行更深一步的研究。

1.2 研究目的与意义

本文主要是通过详细了解船舶柴油机的工作原理和工作过程，学习总结柴油机轴系的运动理论基础，多种综合软件如Solidworks、ANSYS、ADAMS，学习及深化相关理论知识和掌握相关软件的使用，从而建立柴油机轴系的刚性体模型和刚柔混合模型，对比两种模型动力学性能分析结果，对不同轴系模型的曲轴、气缸等在运行过程中的受力、运动情况进行讨论，总结出不同模型不同结果的原因，为以后柴油机动力学性能的研究和设计提供理论指导。